带陡化间隙的触发真空开关触发源研制

针对主电极间距20 mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关（TVS）,研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制北大核心CSCD

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)能源的重复频率800kA快上升沿的线性变压器驱动源(LTD)模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100kV/40nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100ns的800kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140kV、25ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10s输出一个80kV/800kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2kA、脉宽30!s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3ns。     

触发脉冲对雪崩管脉冲源的影响北大核心CSCD

基于雪崩管的脉冲源相对于基于气体开关和半导体断路(SOS)开关的脉冲源,输出脉冲幅度较低。为了进一步提高雪崩管脉冲源的输出幅度,进行功率合成是行之有效的方法,其关键在于脉冲源单元具有高稳定度和时基一致性。分析了触发脉冲对基于雪崩管的脉冲源的影响机理,指出脉冲抖动的影响因素:触发脉冲上升斜率、雪崩管器件导通电平方差、电路噪声。在实验中,通过提高触发脉冲幅度,增加上升斜率,脉冲源抖动和单元之间的时基一致性均优于20ps。     

带触发网络的多重火花间隙触发器的研制

提出了一种基于Tesla变压器且带触发网络的多重火花间隙触发器设计方案。阐述了多重火花间隙在直流和脉冲信号下电压分布特性,并给出了其在脉冲电压作用下电压分布的主要影响因素。仿真分析了触发频率、分压电容和均压电阻对多重火花间隙电压分布的影响,确定了触发网络的最佳参数配置。以10级火花间隙为例,从触发器设计三要素,即脉冲陡度、输出幅值、带载能力出发,确定了Tesla型脉冲触发器的关键设计参数,当脉冲变压器的耦合系数为0.7,初级电感为2500 nH,次级电感为400 mH,初级电容为60F,初级电容充电电压为2.0 kV时,次级直接输出的触发高压可实现10级火花间隙的触发导通。结合多重火花间隙导通实验,对作用于多重火花间隙的触发器的工作过程进行实验验证。     

带触发网络的多重火花间隙触发器的研制

提出了一种基于Tesla变压器且带触发网络的多重火花间隙触发器设计方案。阐述了多重火花间隙在直流和脉冲信号下电压分布特性,并给出了其在脉冲电压作用下电压分布的主要影响因素。仿真分析了触发频率、分压电容和均压电阻对多重火花间隙电压分布的影响,确定了触发网络的最佳参数配置。以10级火花间隙为例,从触发器设计三要素,即脉冲陡度、输出幅值、带载能力出发,确定了Tesla型脉冲触发器的关键设计参数,当脉冲变压器的耦合系数为0.7,初级电感为2500 nH,次级电感为400 mH,初级电容为60F,初级电容充电电压为2.0 kV时,次级直接输出的触发高压可实现10级火花间隙的触发导通。结合多重火花间隙导通实验,对作用于多重火花间隙的触发器的工作过程进行实验验证。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6 k的负载电阻上输出幅值100 kV、上升沿约为30 ns、最高频率可达500 Hz的高压纳秒脉冲。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术仿真研究北大核心CSCD

铁氧体传输线的脉冲陡化技术能够实现高频高功率快前沿脉冲输出,且具有固态化和紧凑化优点,已广泛应用于高功率微波源。关于铁氧体传输线脉冲陡化特性的仿真计算缺乏较为精确的模型,因此利用COMSOL仿真软件建立了铁氧体传输线仿真模型,考虑电磁波传播与磁芯磁化进动之间的相互影响,将Maxwell方程与Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程结合进行仿真计算,与实验结果进行对比验证了仿真模型的准确性。再在此模型基础上,研究了不同传输线长度、不同电压幅值,以及不同外加偏置磁场对脉冲波形的影响。结果表明:脉冲前沿随传输线长度的增大及电压幅值的增大而减小;外加偏置磁场对脉冲前沿有影响,选择合适的外加偏置磁场可以实现最小脉冲前沿输出。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）能源的重复频率800 kA快上升沿的线性变压器驱动源（LTD）模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100 kV/40 nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100 ns的800 kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140 kV、25 ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10 s输出一个80 kV/800 kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2 kA、脉宽30 ??s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3 ns。     

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。     

多棒极型触发真空开关极性效应

基于有限元分析软件ANSOFT对触发真空开关触发极附近的静电场分布进行了仿真,并对其工作在不同的极性配置方式下开展了一系列实验。主要研究触发真空开关极性配置方式与导通时延的大小及其分散性的关系,同时分析了静电场对初始等离子体扩散的影响,从而为触发真空开关的结构优化设计提供理论依据。仿真结果表明:当触发极工作在正极性配置下,可以增强触发极附近阴极表面的电场强度,从而有利于阴极斑点的形成,减小导通时延及其分散性,提高其可靠性。实验验证了触发真空开关在正极性配置下的工作可靠性高、时延小,与仿真分析结果一致。     

多棒极型触发真空开关极性效应

基于有限元分析软件ANSOFT对触发真空开关触发极附近的静电场分布进行了仿真,并对其工作在不同的极性配置方式下开展了一系列实验。主要研究触发真空开关极性配置方式与导通时延的大小及其分散性的关系,同时分析了静电场对初始等离子体扩散的影响,从而为触发真空开关的结构优化设计提供理论依据。仿真结果表明：当触发极工作在正极性配置下,可以增强触发极附近阴极表面的电场强度,从而有利于阴极斑点的形成,减小导通时延及其分散性,提高其可靠性。实验验证了触发真空开关在正极性配置下的工作可靠性高、时延小,与仿真分析结果一致。     

大电流下多棒极型真空触发开关电弧特性

提出了一种多棒极型真空触发开关（TVS）,利用3对棒形电极的特殊结构来增大主触头间的燃弧面积,从而有效地提高TVS通流能力。结合真空电弧电压实验,阐述了多棒极型TVS在不同的大电流等级下的电弧发展变化过程。电弧电压的变化表现了多棒极型TVS中多通道并联燃弧及其在各通道之间的电弧转移过程,从而使得真空电弧维持在扩散态。由此开发的TVS样品实现了225 kA的峰值电流,单次转移电荷量45 C。     

大电流下多棒极型真空触发开关电弧特性

提出了一种多棒极型真空触发开关（TVS）,利用3对棒形电极的特殊结构来增大主触头间的燃弧面积,从而有效地提高TVS通流能力。结合真空电弧电压实验,阐述了多棒极型TVS在不同的大电流等级下的电弧发展变化过程。电弧电压的变化表现了多棒极型TVS中多通道并联燃弧及其在各通道之间的电弧转移过程,从而使得真空电弧维持在扩散态。由此开发的TVS样品实现了225 kA的峰值电流,单次转移电荷量45 C。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律：采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律:采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

一种基于吸气电极的新型真空触发开关

针对真空触发开关触发时延和抖动大、使用寿命不长的难题,设计了一种基于吸气电极的新型真空触发开关,开展工作寿命测试实验和不同触发极性、主间隙电压和触发能量下的导通特性实验。实验结果表明：与纯金属电极开关相比,吸气电极开关的触发时延和抖动更小,工作寿命更长。负极性触发时的触发时延和抖动均远低于正极性触发。正极性触发的触发时延为1.7～3 μs,抖动为300～700 ns,而负极性触发的触发时延为400～600 ns,抖动为30～70 ns。触发时延和抖动都随着触发能量的增大而减小,但当能量高于一定值后,触发能量对导通特性的影响趋于饱和。     

激光触发真空沿面闪络开关的初步实验研究

介绍了沿面闪络开关的发展状况和基本原理,实验研究了真空条件下激光触发介质沿面闪络特性。实验采用固体Nd:YAG纳秒激光器作为触发源,对试样施加正直流高压,电压范围1～6 kV,试样绝缘子为直径50 mm的尼龙6。通过研究不同激光能量、波长和聚焦形状对介质闪络的影响,总结出适用于沿面闪络开关的激光触发形式。实验表明：在一定电场和真空度下闪络的时延和抖动将随着输入激光能量的提高而减小,而激光可触发的电压范围将提高;激光波长减小有助于提高触发的稳定性;激光焦斑的形状是沿面闪络触发的最大影响因素,采用具有一定能量密度、焦斑横跨两电极的带状激光来触发闪络是闪络开关的理想选择。     

激光触发真空沿面闪络开关的初步实验研究

 介绍了沿面闪络开关的发展状况和基本原理，实验研究了真空条件下激光触发介质沿面闪络特性。实验采用固体Nd:YAG纳秒激光器作为触发源，对试样施加正直流高压，电压范围1～6 kV，试样绝缘子为直径50 mm的尼龙6。通过研究不同激光能量、波长和聚焦形状对介质闪络的影响，总结出适用于沿面闪络开关的激光触发形式。实验表明：在一定电场和真空度下闪络的时延和抖动将随着输入激光能量的提高而减小，而激光可触发的电压范围将提高；激光波长减小有助于提高触发的稳定性；激光焦斑的形状是沿面闪络触发的最大影响因素，采用具有一定能量密度、焦斑横跨两电极的带状激光来触发闪络是闪络开关的理想选择。